喻世龍 劉楊 陳偉祥 任金波 鄭書河

摘要：針對(duì)現(xiàn)有采茶機(jī)作業(yè)時(shí)老、嫩茶葉一刀切、嫩芽切碎及茶樹機(jī)械損傷等問題，設(shè)計(jì)一種割刀自適應(yīng)調(diào)節(jié)的采茶裝置。根據(jù)坡地茶園地形參數(shù)和茶莖力學(xué)特性，確定采茶裝置的機(jī)械及結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得割刀自適應(yīng)采茶；通過對(duì)采茶裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立割刀水平調(diào)節(jié)過程運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和割刀切入角調(diào)節(jié)過程動(dòng)力學(xué)方程，確定影響割刀運(yùn)動(dòng)的主要因素為：茶莖對(duì)割刀的反作用力、曲柄長(zhǎng)度、搖桿長(zhǎng)度和鉸鏈安裝長(zhǎng)度；利用力矩平衡原理，得到割刀縱向偏轉(zhuǎn)的充要條件，確定茶莖反作用力范圍為0～55.42 N；采用Adams開展對(duì)割刀水平調(diào)節(jié)過程仿真分析，確定最優(yōu)曲柄長(zhǎng)度、搖桿長(zhǎng)度和鉸鏈安裝長(zhǎng)度分別為330 mm、200 mm和500 mm。

關(guān)鍵詞：采茶裝置；割刀自適應(yīng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；Adams仿真

中圖分類號(hào)：S225.99

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 05-0036-07

收稿日期：2023年6月20日? 修回日期：2023年9月15日*基金項(xiàng)目：福建省農(nóng)業(yè)科技引導(dǎo)性項(xiàng)目（2022N0009）；福建農(nóng)林大學(xué)茶全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新與服務(wù)體系建設(shè)項(xiàng)目（K1520005A05）

第一作者：喻世龍，男，1998年生，四川達(dá)州人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail： 2249956959@qq.com

通訊作者：鄭書河，男，1976年生，福州人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)物料特性和農(nóng)業(yè)裝備。E-mail： zsh@fafu.edu.cn

Design and analysis of tea-plucking device with adaptive adjustment of cutter

Yu Shilong1， Liu Yang1， Chen Weixiang1， Ren Jinbo1， 2， Zheng Shuhe1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou，

350100， China; 2. Fujian Engineering Research Center of Modern Agricultural Equipment， Fuzhou 350100， China）

Abstract：

Aiming at the problems of indiscriminate cutting of old and young tea leaves， crushing of tender buds， and mechanical damage to tea trees in the existing tea pickers， a tea-plucking device with automatic cutter adjustment was designed in this paper. Based on the terrain parameters of sloped tea plantations and the mechanical properties of tea stems， the mechanical and structural parameters of the harvesting device were determined， enabling flexible tea harvesting by the cutter. Through kinematic and dynamic analysis of the plucking device， the kinematic equations for horizontal cutter adjustment and dynamic equations for cutter cutting angle adjustment were established， identifying the main factors influencing cutter motion as the counterforce of the tea stem on the cutter， crank length， rocker arm length， and hinge mounting length. By using torque equilibrium principles， the necessary and sufficient conditions for longitudinal cutter deflection were obtained， determining the counterforce range as 0-55.42N. Adams simulations of the horizontal cutter adjustment process were utilized to identify optimum crank length， rocker arm length， and hinge mounting length as 330 mm， 200 mm and 500 mm， respectively.

Keywords：

tea-plucking device; adaptive cutter; kinematics; Adams simulation

0 引言

茶作為一種綠色飲料，含有豐富的茶多酚、生物堿和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，深受大眾喜愛［1］。茶葉采摘是茶葉生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，直接影響茶的品質(zhì)和產(chǎn)量［2］。針對(duì)大宗茶機(jī)械化采摘，日本起步最早，如早期的單人采茶機(jī)、雙人采茶機(jī)。近年來(lái)，寺田制作所研制了一種乘坐式采茶機(jī)［3］，采用高地隙液壓履帶底盤，配套往復(fù)式切割器和茶葉收集裝置，割刀高度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)茶葉采摘機(jī)械化。但由于國(guó)內(nèi)茶園管理規(guī)范不一、茶園地形以山地丘陵為主、成本較高，大型機(jī)械作業(yè)難以推廣，而便攜式采茶機(jī)因其攜帶方便、操作簡(jiǎn)單而廣受歡迎［4-6］。

目前國(guó)內(nèi)常用的采茶機(jī)類型為：NV45（60）H型單人背負(fù)式采茶機(jī)，4C-525型單人手提式電動(dòng)采茶機(jī)，CS-100型、SVR-110型、PHV-100型雙人擔(dān)架式采茶機(jī)等。其切割原理均為往復(fù)式，與螺旋滾刀式和水平圓盤刀式相比，往復(fù)式切割工作效率相對(duì)較高［1， 7， 8］。杜哲［6］、王升［9］等先后開展茶葉莖稈力學(xué)特性、雙動(dòng)刀往復(fù)式采茶機(jī)能耗及結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，確定了最佳齒距、齒高、刀機(jī)速比［10］。閆晶晶［11］研制了割刀高度可調(diào)的自走式履帶采茶機(jī)，湯一平等［12］研制了基于機(jī)器視覺的乘坐式采茶機(jī)，通過間接法確定割刀與嫩芽的距離，從而調(diào)整割刀高度。趙潤(rùn)茂［13］、吳敏［14］等分別提出使用超聲波和激光雷達(dá)的方法檢測(cè)割刀與嫩芽距離的分布式仿形采茶機(jī)，減小嫩芽定位誤差。針對(duì)其他仿形方法，Chen等［15］采用深度學(xué)習(xí)的方法開展復(fù)雜背景下的茶葉嫩芽識(shí)別、采摘點(diǎn)定位［16］。Yang等［17］研究了其他形式的采摘器，但均因工作效率較低無(wú)法解決大宗茶采摘難題［18， 19］。

目前開展的仿形采茶機(jī)較大程度地減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，但僅局限于割刀高度方向的調(diào)整。在茶葉采摘過程中，由于地面不平導(dǎo)致割刀橫軸上傾斜采茶，以及采茶過程受到茶莖反作用力下，割刀縱軸不能靈活調(diào)整等，仍然存在茶樹損傷、碎葉率偏高等問題。因此本文提出一種適用于坡地茶園的割刀自適應(yīng)采茶機(jī)，可根據(jù)茶稍高度自動(dòng)調(diào)整割刀高度，利用茶莖反作用力自適應(yīng)調(diào)整割刀縱軸切入角度，實(shí)現(xiàn)坡地上地面不平時(shí)橫軸上自動(dòng)校平割刀。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

割刀自適應(yīng)調(diào)節(jié)的采茶機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、絲桿滑臺(tái)模組、切割器、割刀自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，如圖1所示。

其中，行走機(jī)構(gòu)主要包括履帶式底盤和操作臺(tái)。絲桿滑臺(tái)模組安裝于履帶底座中心的立柱中，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，絲桿、導(dǎo)軌、螺母滑塊等。切割器包括小型汽油機(jī)、割刀、拉桿、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、集葉梳、集葉袋等。自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、同步帶、曲柄、搖桿、懸臂和特制滑塊等。采茶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

采茶機(jī)在丘陵茶園工作過程中，假設(shè)水平方向?yàn)閄軸，采茶機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閅軸，切割器升降方向?yàn)閆軸。采茶裝置固定在螺母滑塊上，通過絲桿滑臺(tái)模組實(shí)現(xiàn)割刀沿Z軸（高度方向）的移動(dòng)自由度控制。采茶機(jī)因地面不平導(dǎo)致割刀橫向X軸傾斜，由角度檢測(cè)儀檢測(cè)地面坡度，控制安裝在懸臂上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過同步帶驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度；曲柄與特制滑塊鉸接，特制滑塊可在切割器上方的拉桿中滑動(dòng)，搖桿與拉桿相對(duì)固定；此時(shí)切割器受到水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的約束可以實(shí)現(xiàn)割刀繞Y軸（前進(jìn)方向）的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度控制，使得割刀保持水平。拉桿在特制滑塊中滑動(dòng)的同時(shí)，通過平鍵與其內(nèi)部切入角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接，使切割器在受到茶莖反作用力時(shí)可小幅度調(diào)節(jié)割刀的切入角，實(shí)現(xiàn)割刀繞X軸（水平方向）的力反饋?zhàn)赃m應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。集葉梳將茶葉嫩芽聚集，往復(fù)式切割器將嫩芽割下。風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)至風(fēng)管，將被割下的嫩芽吹進(jìn)懸掛在切割器支架上的集葉袋中，完成茶葉采摘。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、懸臂、搖桿、曲柄、切割器、特制滑塊等部件構(gòu)成，如圖2所示，滑塊B焊接在搖桿下端，并限制拉桿在該滑塊中的軸向位移。當(dāng)割刀傾斜時(shí)，驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度即可調(diào)平割刀。

根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)要求和提前測(cè)得的緩坡茶園地形參數(shù)，切割器橫軸偏轉(zhuǎn)最大夾角值為30°，當(dāng)曲柄與切割器拉桿相互垂直時(shí)，切割器運(yùn)動(dòng)到下極限位置，如圖3所示，過B點(diǎn)作水平線交CD于E，根據(jù)機(jī)構(gòu)幾何特性可確定各桿長(zhǎng)之間的關(guān)系，可初步確定L1為550mm，L2為200mm，L3為342mm。

5 仿真分析

5.1 方案設(shè)計(jì)

優(yōu)化自適應(yīng)采茶裝置結(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮運(yùn)動(dòng)空間、部件尺寸與安裝位置。測(cè)量SVR110型切割器外形尺寸，需在拉桿上方預(yù)留100mm的空間用于安裝小型汽油機(jī)，分析切割器工作空間、懸臂長(zhǎng)度（1000mm）和各零件受力情況，確定懸臂上兩鉸鏈安裝距離范圍為500mm≤L1≤650mm，搖桿長(zhǎng)度范圍為150mm≤L2≤250mm。

根據(jù)式（1），不同的L1、L2組合決定曲柄L3的長(zhǎng)度，機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。設(shè)置仿真時(shí)間為3s，鉸鏈安裝長(zhǎng)度L1、搖桿L2的初始值分別為500mm、150mm，進(jìn)行間距為50mm的仿真試驗(yàn)，設(shè)定仿真參數(shù)如表2所示。

本文使用SolidWorks軟件建立采茶機(jī)三維模型，將切割器簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)作用于拉桿上，使用布爾操作合并拉桿與搖桿。忽略對(duì)割刀水平自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)過程各參數(shù)影響很小的零件，如插銷、螺母、墊片等。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入ADAMS中。根據(jù)水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，定義各零件約束條件，如表3所示。

5.2 仿真結(jié)果與分析

在仿真模型中，按照表3約束條件添加運(yùn)動(dòng)副。通過分析割刀從下極限位置偏轉(zhuǎn)30°到上極限位置運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)鍵構(gòu)件的參數(shù)變化情況，從而確定最優(yōu)組合。

圖9～圖10是不同鉸鏈安裝長(zhǎng)度與不同搖桿長(zhǎng)度組合下的割刀角速度、角加速度的曲線圖。以其中2組仿真試驗(yàn)為例，圖9（a）、圖10（a）是鉸鏈安裝長(zhǎng)度L1為500mm分別與搖桿長(zhǎng)度L2為150mm、200mm、250mm組合下的割刀角速度、角加速度的曲線圖；圖9（b）、圖10（b）是鉸鏈安裝長(zhǎng)度L1為550mm分別與搖桿長(zhǎng)度L2為150mm、200mm、250mm組合下的割刀角速度、角加速度的曲線。通過上述曲線可以看出，在2.5s前，割刀角速度、角加速度變化差距不大；在2.5s后，搖桿長(zhǎng)度L2越小，割刀的角速度、角加速度變化越?。挥捎诟畹对谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)相同的角度，角加速度變化越小意味著割刀運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)，有益于提高采茶質(zhì)量。

圖11是搖桿長(zhǎng)度L2為150mm時(shí)，不同鉸鏈安裝長(zhǎng)度特制滑塊在切割器拉桿上的速度仿真分析。隨著L1的減小，特制滑塊在切割器拉桿上的速度不斷減小；速度越小，在相同時(shí)間內(nèi)，特制滑塊在切割器拉桿上的位移越小；在滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，移動(dòng)位移越小，機(jī)構(gòu)越緊湊。

圖12是鉸鏈安裝長(zhǎng)度L1為500mm時(shí)，拉桿上某點(diǎn)的Z軸位移仿真情況分析?？v坐標(biāo)表示該點(diǎn)與懸臂的距離，正負(fù)僅表示方向?？梢钥闯?，當(dāng)搖桿長(zhǎng)度L2為150mm和250mm時(shí)，該點(diǎn)縱坐標(biāo)均為正值，表示該點(diǎn)會(huì)與懸臂干涉，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。因此，為了保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)合圖9～圖12的仿真分析，最終選擇最優(yōu)鉸鏈安裝長(zhǎng)度L1=500mm，搖桿長(zhǎng)度L2=200mm，此時(shí)曲柄長(zhǎng)度為L(zhǎng)3=330mm。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種割刀自適應(yīng)的采茶裝置，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真試驗(yàn)。

1） 根據(jù)坡地茶園參數(shù)及茶莖力學(xué)特性，研究割刀水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和割刀切入角自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性；對(duì)采茶裝置結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使割刀能在小于15°的坡地上始終保持水平，并使切割器在茶莖反作用力下偏轉(zhuǎn)角最大值為15°。

2） 建立采茶裝置關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出割刀調(diào)平過程運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及割刀切入角調(diào)節(jié)過程動(dòng)力學(xué)方程，確定切割器在茶莖力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的充要條件，進(jìn)一步探究割刀的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3） 設(shè)計(jì)割刀調(diào)平機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)，得到割刀調(diào)平過程中角速度、角加速度、特制滑塊運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)變化規(guī)律，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。最終確定鉸鏈安裝長(zhǎng)度為500mm，搖桿長(zhǎng)度為200mm，曲柄長(zhǎng)度為330mm。

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